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专利名称：一种用于测量铜填充tsv孔界面强度的测试方法
技术领域：
本发明涉及先进三维电子封装技术中的TSV电镀铜界面强度测试技术以及复合材料增强纤维与基体界面强度测试技术。
背景技术：
三维(3D)封装技术可以满足消费者对电子产品更小、更便捷、更高可靠性不断增长的需求，而在众多3D封装技术中，硅通孔(TSV)被认为是3D封装的核心。
在TSV制作的过程中，需要使用电镀的方法将TSV通孔中填充电镀铜，在TSV服役的过程中，电镀铜和TSV转接板之间的界面会因为热膨胀系数的不同而产生切应力，这个切应力可能会导致界面的破环而使TSV漏电失效。不同的电镀工艺产生的界面强度是不同的，因此需要通过实验方法得出不同电镀工艺下TSV电镀铜界面的强度，进而改进电镀工艺，从而提高TSV转接板在服役过程中的可靠性。
因为TSV结构尺寸很小(直径只有30微米左右)，目前针对TSV微结构力学性质(界面强度、电镀铜的弹性模量)的实验研究，主要是使用特制的式样，由于特制的式样为了便于实验，在结构上和TSV结构有很大的差别，使得实验的结果不能直观准确的表示其力学性能，因此，迫切需要找到一种可以直接对TSV转接板进行实验的实验方法和根据实验结果得到其准确力学性能的数据处理方法。发明内容
本发明提出一种用于测量TSV-Cu在电镀铜之后界面强度的测试方法，包括实验方法和数据处理方法，实验方法解决了微米尺度的TSV-Cu结构不易进行实验的问题；数据处理方法针对TSV的结构特点和铜-硅特殊的材料属性，可以准确的将压头所做的不同的功分开，最后得到压头所做的界面开裂功，进而得到界面的临界应变能释放率。实验原理简单、操作方便、结果可靠。
本发明提出的测试方法拟使用纳米压痕仪对TSV转接板上面的电镀铜柱进行压出实验，实验时将TSV转接板放在特制的夹具上面，将纳米压痕仪的压头对准电镀铜柱的顶端，将电镀铜柱压出，在压出的过程中对压头进行卸载再加载，得到压头上的卸载加载曲线，结合压出过程中压头的载荷位移曲线，并使用原子力显微镜(AMF)得到卸载后铜柱顶端距TSV转接板上表面的距离。通过分析，可以得到电镀铜柱压出过程中压头做的总功、塑性功、弹性功、摩擦功，进而得到TSV-Cu界面破坏所消耗的界面开裂功。用上述得到的界面开裂功除以发生破坏的界面的总面积就得到了界面的临界应变能释放率。界面的临界应变能释放率可以作为判断界面是否发生破坏的判断准则，反映电镀铜过程中得到的界面的强度。
本发明提出的测试方法包括以下步骤:
1:将TSV转接板的电镀铜柱2的底端和载台4上面的通孔5对中并将TSV转接板夹紧，将纳米压痕仪的压头I和电镀铜柱2的顶端对中，缓慢加载将电镀铜柱2压出，压出过程中得到压头I上的载荷/位移曲线。2:根据步骤I得到的曲线，预测电镀铜柱2的加载端即顶端的压入点和支撑端即底端的压出点在曲线上的位置。另取一个TSV转接板，重新进行对中和加载，在加载的过程中，分别在曲线将要到达和刚刚经过压入点和压出点时停止加载，取下TSV转接板，使用显微镜观察电镀铜柱2的加载端和支撑端的压入和压出的情况，如果观察的结果是在曲线将要到达压入点和压出点时加载端和支撑端没有出现压入和压出现象；在曲线刚刚经过压入点和压出点时加载端和支撑端出现了压入和压出的现象，说明预测正确。否则，重复步骤2直到预测正确。3:另取一个未进行实验的TSV转接板进行对中和加载，在加载的过程中，在曲线接近加载端压入点和支撑端压出点时对式样进行卸载再加载。在得到的曲线中，支撑端压出点之前的曲线(忽略卸载加载曲线)和表示位移的坐标轴围成的面积是压头所做的总功W，在接近加载端压入点的卸载加载曲线围成的面积是压头所做的塑性功AEplast，在接近支撑端压出点的卸载加载曲线围成的面积是压头所做的摩擦功AEftirt，在接近支撑端压出点的卸载曲线和表示位移的坐标轴围成的面积是压头所作的部分弹性功AEelastltl4:取一个在支撑端压出点之前进行卸载之后还未加载的TSV转接板，使用原子力显微镜(AMF)测量电镀铜柱的加载端(即顶端)距TSV转接板上表面的距离Al。根据公式
权利要求
1.一种用于测量铜填充TSV孔界面强度的测试方法，其特征在于:对TSV铜柱进行压出实验，并在电镀铜柱的加载端压入点之前靠近压入点处和支撑端压出点之前靠近压出点处进行卸载再加载，得到整个过程中压头上的载荷/位移曲线，使用原子力显微镜得到卸载后铜柱顶端距TSV转接板上表面的距离；通过分析得到界面开裂功，用界面开裂功除以发生破坏界面的面积得到界面的临界应变能释放率；其具体步骤如下: 步骤1:将TSV转接板的电镀铜柱2的底端和载台4上面的通孔5对中并将TSV转接板夹紧，将纳米压痕仪的压头I和电镀铜柱2的顶端对中，缓慢加载将电镀铜柱2压出，压出过程中得到压头I上的载荷/位移曲线； 步骤2:根据步骤I得到的曲线，预测电镀铜柱2的加载端即顶端的压入点和支撑端即底端的压出点在曲线上的位置；另取一个TSV转接板，重新进行对中和加载，在加载的过程中，分别在曲线将要到达和刚刚经过压入点和压出点时停止加载，取下TSV转接板，使用显微镜观察电镀铜柱2的加载端和支撑端的压入和压出的情况，如果观察的结果是在曲线将要到达压入点和压出点时加载端和支撑端没有出现压入和压出现象；在曲线刚刚经过压入点和压出点时加载端和支撑端出现了压入和压出的现象，说明预测正确；否则，重复步骤2直到预测正确； 步骤3:另取一个未进行实验的TSV转接板进行对中和加载，在加载的过程中，在曲线接近加载端压入点和支撑端压出点时对式样进行卸载再加载；在得到的曲线中，支撑端压出点之前的曲线和表示位移的坐标轴围成的面积是压头所做的总功W，在接近加载端压入点的卸载加载曲线围成的面积是压头所做的塑性功AEplast，在接近支撑端压出点的卸载加载曲线围成的面积是压头所做的摩擦功AEftirt，在接近支撑端压出点的卸载曲线和表示位移的坐标轴围成的面积是压头所作的部分弹性功AEelastl ； 步骤4:取一个在支撑端压出点之前进行卸载之后还未加载的TSV转接板，使用原子力显微镜测量电镀铜柱的加载端距TSV转接板上表面的距离Al ; 根据公式
全文摘要
一种用于测量铜填充TSV孔界面强度的测试方法，属于三维电子封装测试领域。使用纳米压痕仪将TSV电镀铜柱从TSV通孔中压出，得到压出过程中压头上的载荷/位移曲线，并在压出的不同阶段进行卸载再加载，得到卸载、加载曲线。并使用原子力显微镜(AMF)得到卸载后铜柱顶端距TSV转接板上表面的距离。通过分析可以得到界面发生破坏所消耗的能量即界面开裂功，用界面开裂功除以发生破坏界面的面积既可以得到界面的临界应变能释放率。使用该方法可以得到TSV在实际生产过程中不同电镀工艺产生的界面的强度，通过对比选择最适合的电镀工艺，以提高TSV在服役过程中的可靠性。
文档编号G01N19/04GK103196828SQ20131013445
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月17日 优先权日2013年4月17日
发明者秦飞, 黄传实, 武伟, 刘程艳 申请人:北京工业大学